JP3564001B2 - ピストンリング - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピストンリングに関し、特に、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、シール性の向上を意図して、合口を有さない樹脂製のピストンリングが使用されている。例えば、特開平９−１５９０２３号公報、特開平８−２２６５４２号公報には、樹脂製ピストンリング、このピストンリングよりも弾力性のある樹脂製の弾性リング、およびコイルエキスパンダを備えたピストンリング構造体が記載されている。
【０００３】
このような樹脂製のピストンリングは、合口を形成しないようにできるばかりでなく、その変形性の高さからシリンダボアの熱変形に対する追従性も高いので、燃焼室の密閉性が金属製ピストンリングに比較して極めて高いものとなり、燃費の向上に効果がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような密閉性の高さから、ピストンリングには燃焼室側からの燃焼圧力が特に高い状態でかかってくる。このため、図１３（Ａ）に示すごとく、ピストンリング７０２の摺動面７０４，７０６をシリンダの内周面７０８に対して適切に当接するように配置したにもかかわらず、実際に、内燃機関が運転されると、燃焼室側から大きな燃焼圧力がかかってくるため、図１３（Ｂ）に示すごとく、ピストンリング７０２の摺動面７０４，７０６側がクランクケース側へ押圧されることにより、ピストンリング７０２（ここでは特にアウターリング）がクランクケース側に捻れるように揺動して、クランクケース側の摺動面７０６がシリンダ内周面７０８から浮き上がったり、シリンダ内周面７０８に対する圧力が低下したりするといった現象が発生する。
【０００５】
このようにピストンリング７０２のクランクケース側が浮き上がったり圧力が低下すると、クランクケース側の摺動面７０６が主に行っているシリンダ内周面７０８に付着しているオイルをクランクケース側に掻き下げるという作用が低下する。更に、逆に燃焼室側の摺動面７０４に燃焼室側へオイルを掻き上げるという作用が発生して、燃焼室内にオイルが侵入してしまい、オイルシール性が低下するという問題が生じる。
【０００６】
なお、合口が存在する樹脂製ピストンリングであっても、前述したごとく、シリンダボアに対する追従性が高いので、金属製ピストンリングよりも燃焼ガスに対するシール性が高い。このことから、合口が存在する場合も樹脂製ピストンリングの場合は同様に上述した捻れが生じやすく、オイルシール性に問題を生じるおそれがある。
【０００７】
金属製ピストンリングの場合は、ピストンリング自体が剛体であるので、上述した樹脂製ピストンリングの場合のような捻れの問題自体が起きないし、また、燃焼圧力が影響しないオイルリングとして用いられていたりするので、金属製のピストンリングにおいて種々の形態（特開平７−２３９０３１号、特開平８−４２６９３号）が存在するが、上述した樹脂製ピストンリングの問題点の対策の参考にはならない。
【０００８】
本発明は、このような樹脂製ピストンリングに対する燃焼圧力等の圧力の作用によるシール性の低下を防止することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記押圧により生じる圧力は、リング溝内に配置されてピストンリングをシリンダ内周面へ押圧するエキスパンダーにより与えられるとともに、該エキスパンダーの押圧中心は、ピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、前記圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とする。
【００１０】
本ピストンリングでは、シリンダ内周面への圧力が、シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされている。前記空間側の高圧気体の圧力は、ピストンリングに作用して、ピストンリングの摺動面側を前記空間とは反対側に下げようとするが、ピストンリングの摺動面からシリンダ内周面への圧力が前記空間とは反対側の方に偏っているため、高圧気体により生じる捻りのモーメントと逆方向のモーメントがピストンリングに発生する。このため、高圧気体による捻りのモーメントが弱められて、前記空間とは反対側の摺動面が浮き上がったり圧力が低下する現象が阻止される。したがって、オイル等を前記空間とは反対側へ掻き取る機能が阻害されることなく、シール性の低下を防止することができる。
【００１５】
さらに、前記圧力は、リング溝内に配置されてピストンリングをシリンダ内周面へ押圧するエキスパンダーにより与えられるとともに、該エキスパンダーの押圧中心は、ピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、前記圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされている。
【００１６】
このように、エキスパンダーの押圧中心は、ピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、圧力の高さばかりでなく、押圧力のトータルとしての力も、前記空間とは反対側の摺動面に多く分配されることとなり、高圧気体による捻れも阻止でき、また、シリンダ内周面との密着性も高くなり、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００１７】
請求項２のピストンリングは、請求項１記載の構成に対して、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されたことを特徴とする。
【００１８】
このように、２本あるいはそれ以上設けた突条の先端面を摺動面とするピストンリングであっても、請求項１に述べた作用効果を生じる。しかも、この場合の前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くても高圧気体の漏出阻止については十分に果たすことができ、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。このように、それぞれ役割を十分に果たすことができ、２つ以上の突条の間の空間によりラビリンス効果も生じるので、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００１９】
請求項３のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されるとともに、実機運転状態での前記空間側の前記突条先端面での外径は、前記空間とは反対側の前記突条先端面での外径よりも小さくなるように形成されていることにより、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とする。
【００２０】
このような突条先端面での外径の違いにより、前記空間とは反対側の突条の摺動面の圧力が高くされることによって、請求項１に準じた作用効果を生じさせることができる。しかも、前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くてもあるいはシリンダ内周面に接触していなくても高圧気体の漏出阻止の役割を果たすことができるとともに、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。したがって、各突条先端面はそれぞれの役割を十分に果たすことができ、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００２１】
請求項４のピストンリングは、請求項３記載の構成に対して、前記空間とは反対側の前記突条先端面の幅は、前記空間側の前記突条先端面の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする。
【００２２】
このようにシリンダの内周面に十分に押圧されている方の突条先端面の幅が大きく形成されていることにより、請求項３の作用効果に加えて、ピストンリングの姿勢が安定し、より一層良好なシール性を確保することができる。
請求項５のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされ、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される３本の突条が全周にわたって形成されたことを特徴とする。
このように、３本設けた突条の先端面を摺動面とするピストンリングであっても、請求項１に述べた作用効果を生じる。しかも、この場合の前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くても高圧気体の漏出阻止については十分に果たすことができ、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。しかも、中央の突条はこの中間的な機能により、高圧気体の漏出阻止およびオイルの掻き落とし作用を補助する。したがって、それぞれ役割を十分に果たすことができ、突条間の２つの空間によりラビリンス効果も存在するので、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００２３】
請求項６のピストンリングは、請求項１〜５のいずれか記載の構成に対して、合口が形成されていないことを特徴とする。
このように合口が存在しないタイプの樹脂製ピストンリングは、前述したごとく、特に、高圧がかかりやすいので捻られやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００２４】
請求項７のピストンリングは、請求項１〜６のいずれか記載の構成に対して、複数のリング状部材からなるピストンリング構造体の内の外側のリング状部材として形成されていることを特徴とする。
【００２５】
上述したピストンリングは、単独で用いられるものばかりでなく、他のリング状部材と共に、ピストンリング構造体として用いられるものでもよく、前述したごとく、シール性の低下を防止することができる。しかも、このようにピストンリング構造体の一部に用いられる場合は、径方向の幅が小さく、高圧気体からの圧力により捻りを生じやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００２８】
請求項８のピストンリングは、請求項１〜７のいずれかの構成に加えて、リング溝内には前記樹脂製のピストンリングに対して前記空間とは反対側に隣接して配置され、シリンダ内周面と摺動するサイドレールを備えたことを特徴とする。
【００２９】
このように前記空間とは反対側に隣接してサイドレールを備えたことにより、本ピストンリングによるオイルの掻き落とし作用を大きくすることができる。
請求項９のピストンリングは、請求項８記載の構成に対して、オイルリングとコンプレッションリングとを兼ねていることを特徴とする。
【００３０】
このことにより、オイルリングを省略することが可能となる。このためオイルリング用のリング溝も不要となり、ピストンの強度が向上するのでピストンを薄肉化できる。このようにして、内燃機関の軽量化と生産性の向上が可能となる。
【００３１】
請求項１０のピストンリングは、請求項１〜９のいずれかの構成に対して、トップリングとして形成されていることを特徴とする。
このようにコンプレッションリングの内でもトップリングとして形成されていることにより、このピストンリングが内燃機関に適用されると、ピストンリングよりも前記空間側の間隙部に溜まる未燃焼ガスや不完全燃焼ガスの量が減少し、あるいはこれらのガスの異常燃焼が少なくなりノッキング等を減少することができる。
【００３２】
なお、請求項１〜１０のいずれかの構成において、前記ピストンおよび前記シリンダを内燃機関のピストンおよびシリンダとし、前記高圧気体を燃焼ガスとして、内燃機関に適用することができる。内燃機関においては、高圧の燃焼ガスによるピストンリングの捻れに対する対策が必要となるので、内燃機関に用いてオイルシール性の低下防止に顕著な作用効果を生じる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１は、本発明のピストンリングの一実施の形態としてのアウターリング２の断面図を示している。
【００３４】
ここで、アウターリング２は樹脂製であり、合口のないシームレスなリングとして形成されている。樹脂としては例えば、ポリイミド等の比較的硬くて耐摩耗性のある樹脂が選択される。
【００３５】
アウターリング２の内周面４は短円筒面として全体が平滑に形成されているが、外面６側には、２本の突条８，１０がアウターリング２の全周にわたって配置されている。各突条８，１０の先端には、短円筒状の外周面を形成する先端面８ａ，１０ａと、燃焼室側の角部の位置にテーパー面８ｂ，１０ｂとが形成されている。
【００３６】
２つの突条８，１０の内、燃焼室側の上部突条８の先端面８ａは、クランクケース側の下部突条１０の先端面１０ａに比較して、その幅（円筒の高さ）が大きく形成されている。なお、図１では、上部突条８の先端面８ａが、下部突条１０の先端面１０ａの１．２〜３倍の幅に設定されている。すなわち、面積においても上部突条８の先端面８ａは下部突条１０の先端面１０ａの１．２〜３倍に設定されている。
【００３７】
このアウターリング２は、使用時に、図２に示すごとく、インナーリング１２およびコイルエキスパンダ１４と組み合わされてピストンリング構造体として用いられる。なお、このピストンリング構造体は、本実施の形態１では、コンプレッションリングの内でも、ピストン１６の頂部から２番目のリング溝１８内に配置されたセカンドリングとして用いられている。
【００３８】
ここで、ピストン１６のリング溝１８内には、内側にコイルエキスパンダ１４、中間にインナーリング１２、および外側にアウターリング２が配置されている。コイルエキスパンダ１４は断面丸あるいは断面矩形のスチール線材をコイル状に巻いたものであり、この中にはスチールの芯材１４ａが貫通しており、スチール線材は芯材１４ａに沿って円形に曲げられている。
【００３９】
コイルエキスパンダ１４からの押圧力により、シリンダ２０側へ押圧されているインナーリング１２は、コイルエキスパンダ１４側に開く略Ｖ形の溝を有し、その斜面１２ａ，１２ｂにてコイルエキスパンダ１４からの押圧力を受けている。このため、インナーリング１２は、外側にて隣接するアウターリング２をシリンダ２０側に押圧している。
【００４０】
また、インナーリング１２は、比較的弾力性のある樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）にて形成されているため、コイルエキスパンダ１４の圧力により、インナーリング１２自身は、斜面１２ａ，１２ｂを開くようにして、燃焼室側とクランクケース側とへそれぞれ広がる。したがって、クランクケース側のインナーリング側面１２ｃがリング溝１８のクランクケース側の側面１８ａに密着し、燃焼室側のインナーリング側面１２ｄがリング溝１８の燃焼室側の側面１８ｂに密着する。このことにより、リング溝１８の側面１８ａ，１８ｂとインナーリング１２との間は、燃焼ガスに対して完全なシール性を発揮している。
【００４１】
更に、インナーリング１２とアウターリング２とは共に合口が存在しないシームレスなリングであり、アウターリング２はインナーリング１２を介したコイルエキスパンダ１４の押圧力により、シリンダ２０の内周面２０ａの全周に接触している。このため、燃焼室の燃焼ガスは完全に密閉される。
【００４２】
ここで、コイルエキスパンダ１４からの押圧力は、上部突条８の先端面８ａと下部突条１０の先端面１０ａとのほぼ中間当たりに加わることから、コイルエキスパンダ１４の押圧力は、ほぼ均等に両先端面８ａ，１０ａに与えられる。前述したごとく、下部突条１０の先端面１０ａは、上部突条８の先端面８ａの面積の１／１．２〜１／３の広さに設定されているので、下部突条１０の先端面１０ａがシリンダ２０の内周面２０ａに加える圧力は、上部突条８の先端面８ａ側よりも１．２〜３倍の圧力となっている。
【００４３】
以上説明した本実施の形態１によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．本アウターリング２では、前述したごとく、下部突条１０の先端面１０ａの幅は上部突条８の先端面８ａの幅よりも小さく形成されていることにより、コイルエキスパンダ１４の押圧力により生じるシリンダ２０の内周面２０ａに対する圧力は、下部突条１０の先端面１０ａの方が上部突条８の先端面８ａよりも高くされている。
【００４４】
燃焼室側の高圧の燃焼ガスの圧力は、発明が解決しようとする課題の欄でも述べたごとく、アウターリング２に作用して、アウターリング２の摺動面側、すなわち先端面８ａ，１０ａ側をクランクケース側に下げる方向に捻るように働く。しかし、前述したごとく、燃焼ガスの高圧をほぼ直接、燃焼室側から受ける上部突条８の先端面８ａは、下部突条１０の先端面１０ａよりも幅が大きいことにより安定した姿勢を維持する作用が高く、高圧によるアウターリング２の捻れを防止することができる。したがって、下部突条１０の先端面１０ａがシリンダ２０の内周面２０ａから浮き上がったり圧力が低下するのを阻止できる。
【００４５】
更に、下部突条１０の先端面１０ａの圧力は上部突条８の先端面８ａ側よりも高いので、シリンダ２０の内周面２０ａとの密着性が高くなり、エンジンオイルがクランクケース側から燃焼室側へ侵入するのを阻止する効果が高くなる。
【００４６】
これらのことからシール性の低下を十分に防止することができる。
（ロ）．アウターリング２およびインナーリング１２は共に合口を有していないので、特に、燃焼ガスの高圧がかかりやすいが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００４７】
（ハ）．また、アウターリング２は、複数のリング状部材からなるピストンリング構造体の内の外側のリング状部材として形成されているため、単独のリング状部材がピストンリングとして用いられている場合よりも径方向の幅が小さく、燃焼ガスの圧力により捻りを生じやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００４８】
［実施の形態２］
前記実施の形態１では先端面の幅が異なる２本の突条を設けたアウターリングの例を挙げたが、本実施の形態２における樹脂製のアウターリング１０２では、図３に示すごとく突条は存在せず、シリンダ１２０の内周面１２０ａに当接される摺動面１０８が１つのみ形成されている。そして、摺動面１０８の燃焼室側縁部１０８ａに連続して、燃焼室側には、テーパー面１１０が形成されている。
【００４９】
ここで、インナーリング１１２のＶ形溝１１３は、インナーリング１１２の中央部ではなくクランクケース側に偏って形成されている。このため、コイルエキスパンダ１１４も、クランクケース側に偏って配置され、その押圧力Ｅは、図４に示すごとく、アウターリング１０２の中心Ｐよりもクランクケース側に押圧力中心がある。このため、アウターリング１０２に対して燃焼室側の燃焼ガスの圧力によりアウターリング１０２に与えられるモーメントＤＭとは反対方向のモーメントＵＭを、コイルエキスパンダ１１４からインナーリング１１２に与えることができる。
【００５０】
以上説明した本実施の形態２によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．アウターリング１０２に押圧力を与えるエキスパンダー１１４は、その押圧力の中心位置がアウターリング１０２の中心Ｐよりもクランクケース側へ偏っている。このことにより、アウターリング１０２がシリンダ１２０の内周面１２０ａに与える圧力は、図４に示すごとく、摺動面１０８の内で燃焼室側の領域ＵＡよりもクランクケース側の領域ＤＡの方が高くされている。
【００５１】
このように、コイルエキスパンダ１１４の押圧中心がクランクケース側に偏っていることにより、圧力の高さばかりでなく、押圧力のトータルとしての力も、クランクケース側に多く分配されることとなる。このため、コイルエキスパンダ１１４の押圧力は、燃焼ガスによる捻れのモーメントＤＭを打ち消す反対方向のモーメントＵＭを発生することになり、燃焼ガスによる捻れが阻止できる。更に、摺動面１０８におけるクランクケース側の領域ＤＡにおけるシリンダ１２０の内周面１２０ａとの密着性も高くなり、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００５２】
（ロ）．また、コイルエキスパンダ１１４の押圧中心がクランクケース側に偏っていることにより、シリンダ１２０の内周面１２０ａに対してアウターリング１０２を主に支持している部分は摺動面１０８の内でクランクケース側の領域ＤＡとなる。すなわち、燃焼室からの燃焼ガスの影響（温度や圧力）の少ない位置で支持しているため、アウターリング１０２の姿勢が安定し、シール性を一層確実なものとできる。
【００５３】
（ハ）．前記実施の形態１の（ロ）および（ハ）と同様な作用効果を生じる。
［実施の形態３］
本実施の形態３が、前記実施の形態１と異なる点は、図５に示すごとく、アウターリング２０２における下部突条２１０の先端面２１０ａの幅が上部突条２０８の先端面２０８ａより大きい点である。更に、前記実施の形態１と異なる点は、上部突条２０８の先端面２０８ａでの外径が下部突条２１０の先端面２１０ａでの外径よりも小さくされて、実際に内燃機関の運転時においても、下部突条２１０の先端面２１０ａは、コイルエキスパンダ２１４の押圧力によりシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触しているが、上部突条２０８の先端面２０８ａはシリンダ２２０の内周面２２０ａには接触していない点である。
【００５４】
以上説明した本実施の形態３によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．本アウターリング２０２は、内燃機関の運転状態での上部突条２０８の先端面２０８ａの径は、下部突条２１０の先端面２１０ａの径よりも小さいので、下部突条２１０の先端面２１０ａのみがシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触する。したがって、コイルエキスパンダ２１４の押圧力はすべて下部突条２１０の先端面２１０ａが受けることになる。この結果、上部突条２０８の先端面２０８ａの圧力（＝０）よりも下部突条２１０の先端面２１０ａの圧力の方が当然に高くなる。
【００５５】
このため、実施の形態１の場合と同じ作用効果を生じる。
（ロ）．上部突条２０８の先端面２０８ａは、シリンダ２２０の内周面２２０ａには接触していないが、その間隙は非常に狭く、更に、その背後に膨張できる空間２１１が下部突条２１０との間に存在するため、ラビリンス効果が生じて、燃焼ガスの漏出を阻止する役割を果たすことができる。
【００５６】
（ハ）．十分な圧力でシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触してアウターリング２０２を支持している下部突条２１０の先端面２１０ａの幅は、上部突条２０８の先端面２０８ａよりも大きく形成されている。このことから、アウターリング２０２の姿勢が更に安定し、より一層良好なシール性を維持することができる。
【００５７】
（ニ）．前記実施の形態１の（ロ）および（ハ）、前記実施の形態２の（ロ）の作用効果を有する。
［実施の形態４］
本実施の形態４の構成を図６の断面図に示す。本実施の形態４では、前記実施の形態１と異なり、アウターリング３０２は３つの突条３０８，３０９，３１０を備えている。この３つの突条３０８〜３１０は各先端面３０８ａ，３０９ａ，３１０ａでシリンダ３２０の内周面３２０ａに摺動状態で接触している。前記先端面３０８ａ〜３１０ａによるシリンダ３２０の内周面３２０ａへの圧力は、コイルエキスパンダ３１４によりインナーリング３１２を介して与えられている。
【００５８】
ここで、インナーリング３１２において、コイルエキスパンダ３１４側には、コイルエキスパンダ３１４よりも内径の大きな半円形の溝３１２ａが形成されている。このためコイルエキスパンダ３１４は溝３１２ａの中心部（この場合は、インナーリング３１２の中心部でもある）にて、インナーリング３１２をアウターリング３０２側に押圧している。
【００５９】
インナーリング３１２とアウターリング３０２とは、ピストン３１６の軸方向において同じ幅に形成されているので、コイルエキスパンダ３１４はアウターリング３０２の全幅の中心を押圧中心Ｆとしている。しかし、アウターリング３０２の外周面の内で、クランクケース側には、突条が形成されていないアンダーカット領域３１３が形成されている。このアンダーカット領域３１３の存在により、突条３０８〜３１０の先端面３０８ａ〜３１０ａの分布は、燃焼室側に偏ったものとなっている。
【００６０】
したがって、前記押圧中心Ｆは、突条３０８〜３１０の先端面３０８ａ〜３１０ａがシリンダ３２０の内周面３２０ａから受ける反力中心Ｇに対してクランクケース側に距離ｄ分ずれている。
【００６１】
なお、図７に示すごとく、本実施の形態４のピストンリングは、コンプレッションリングの内でもセカンドリング３５０として用いられている。したがって、ピストン３１６の外周面上には燃焼室側にトップリング３５２が設けられ、クランクケース側にオイルリング３５４が設けられている。
【００６２】
ここでトップリング３５２は合口を有する金属製のリング状に形成されている。また、オイルリング３５４は図８の斜視図に示すごとく、一対のサイドレール３５６，３５８と１つのエキスパンダ３６０とから構成されている。各サイドレール３５６，３５８は図９の斜視図に示すごとく、一部に合口３５６ａ，３５８ａを形成した金属製のリング状に形成されている。この２つの合口３５６ａ，３５８ａは、オイルリング３５４として組み合わされて、ピストン３１６のリング溝に配置される際には、エキスパンダ３６０を間にして、１８０°の位相差（図９の配置状態）で配置されている。また、エキスパンダ３６０は、その内周側に存在する環状に配列された突出部３６０ａにより、これら一対のサイドレール３５６，３５８をシリンダ３２０側に付勢している。このことにより、サイドレール３５６，３５８の外周側がシリンダ３２０の内周面に摺動状態で接触して、クランク室側のオイルが燃焼室側に侵入するのを阻止している。
【００６３】
以上説明した本実施の形態４によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．前記実施の形態２とは異なり、押圧中心Ｆはセカンドリング３５０の中心である。更に、突条３０８〜３１０の先端面３０８ａ〜３１０ａがシリンダ３２０の内周面３２０ａから受ける反力中心Ｇは燃焼室側に偏っている。すなわち、押圧中心Ｆは反力中心Ｇに対してクランクケース側にずれている。
【００６４】
このため、コイルエキスパンダ３１４の押圧力は、燃焼ガスによる捻れのモーメントを更に強く打ち消す反対方向のモーメントを発生する。したがって、燃焼ガスによる捻れが一層強力に阻止できる。
【００６５】
更に、このモーメントによりクランクケース側の突条３１０に特に強い圧力が作用するので、シリンダ３２０の内周面３２０ａに付着しているオイルをクランクケース側に掻き下げるという作用が向上し、オイルシール性をより一層良好なものとすることができる。
【００６６】
（ロ）．また、燃焼室側と中央との２つの突条３０８，３０９によりクランクケース側の突条３１０の前に２つの空間３０８ｂ，３０９ｂが形成されるので、ラビリンスとしての作用が高まり、燃焼ガスの漏出を阻止する役割を一層強めることができる。しかも中央の突条３０９は、高圧気体の漏出阻止ばかりでなくオイルの掻き落とし作用も補助する。したがって、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００６７】
（ハ）．前記実施の形態１の（ロ）および（ハ）と同様な作用効果を生じる。
［実施の形態５］
本実施の形態５の構成を図１０に示す。本実施の形態５では、前記実施の形態４と異なり、セカンドリング４５０においては、リング溝４１８内にはアウターリング４０２およびインナーリング４１２に隣接して、クランクケース側に金属製のサイドレール４４０が配置されている。このサイドレール４４０は、前記実施の形態４の図９にて示したオイルリング３５４に用いられているサイドレール３５６，３５８とサイズは異なるが同形状のものが用いられている。他の構成は前記実施の形態４と同じである。
【００６８】
サイドレール４４０はサイドレール４４０の内側に配置されているインナーリング４１２の係合部４１２ａを介して、コイルエキスパンダ４１４からシリンダ４２０の内周面に対する圧力を与えられている。更にサイドレール４４０自身の弾性力によっても、シリンダ４２０の内周面に対する圧力を生じている。
【００６９】
以上説明した本実施の形態５によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．前記実施の形態４の（イ）〜（ハ）の作用効果を生じる。
（ロ）．セカンドリング４５０は、クランクケース側にサイドレール４４０を備えている。このため、オイルが燃焼室側に侵入するのを、一層強力に阻止できる。したがって、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００７０】
［実施の形態６］
本実施の形態６は、図１１に示すごとく、前記実施の形態５のセカンドリング４５０と同じ構成のセカンドリング５５０を用いたシール構造において、オイルリングおよびそのリング溝を省略した構成である。すなわち、トップリング５５２とセカンドリング５５０との２つのピストンリングにて、ピストン５１６とシリンダ５２０との間をシールした構成である。セカンドリング５５０が図１０に示した構成と同じであることにより、コンプレッションリングとオイルリングとの機能を兼ね備えている。
【００７１】
以上説明した本実施の形態６によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．前記実施の形態４の（イ）〜（ハ）の作用効果を生じる。
（ロ）．オイルリングを省略しても、クランクケース側にサイドレール５４０を有するセカンドリング５５０がオイルリングを兼ねることができるので、オイルが燃焼室側に侵入するのを阻止でき、オイルシール性を維持することができる。このため、オイルリングを省略できる。したがって、オイルリング用のリング溝も不要となり、ピストン５１６の強度が向上するのでピストン５１６を薄肉化できる。このようにして、内燃機関の軽量化と生産性の向上が可能となる。
【００７２】
［実施の形態７］
本実施の形態７は、図１２に示すごとく、トップリング６５２として前記実施の形態４のセカンドリング３５０と同じ構成のコンプレッションリングを用いている。また、セカンドリング６５０として前記実施の形態４のトップリング３５２と同じ構成のコンプレッションリングを用いている。すなわち、前記実施の形態４とはトップリングとセカンドリングとが入れ替わった構成をなしている。
【００７３】
以上説明した本実施の形態７によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．前記実施の形態４の（イ）〜（ハ）の作用効果を生じる。
（ロ）．トップリング６５２を構成するアウターリング６０２は樹脂製であり、シリンダ６２０の内周面に対する密着性が高い。またトップリング６５２を構成するインナーリング６１２も樹脂製でありリング溝６１８に対する密着性が高い。このため、内燃機関の運転時に燃焼室の未燃混合気や不完全燃焼ガスが溜まり易いのは、トップリング６５２より上の間隙部６７０までである。トップリング６５２よりクランクケース側の間隙部６７２にはほとんど未燃混合気や不完全燃焼ガスは到達しない。すなわちクレビスボリュームが少なくなる。
【００７４】
したがって、排気行程にて、間隙部６７０からの未燃混合気や不完全燃焼ガスの吹き出しは、トップリングが前記実施の形態４に示した単一の金属リングである場合には比較して少なくなる。このため未燃混合気や不完全燃焼ガスによる吸入空気量の低下やエミッションの悪化を抑制することができる。
【００７５】
また、爆発行程時に燃焼室に存在する混合気の膨張と燃焼波により、間隙部６７０にある未燃混合気や不完全燃焼ガスが断熱圧縮されても、未燃混合気や不完全燃焼ガスの量が少ないので、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができ、内燃機関の耐久性を高めることができる。
【００７６】
［その他の実施の形態］
・前記実施の形態１〜７において、合口の無いアウターリングやインナーリングの例を示したが、合口のあるものを用いても同様にシール性の低下を防止することができる。
【００７７】
・前記実施の形態１〜７においては、ピストンリング構造体に用いられるアウターリングとして本発明が具現化されていたが、前記実施の形態１〜７のアウターリングと同形状のものを、インナーリング無しでコイルエキスパンダと組み合わせて用いる形態でもよく、また、インナーリングもコイルエキスパンダも無くしてアウターリングと同形状のものを単独で用いる形態でもよい。このような構造でもシール性の低下を防止することができる。
【００７８】
・前記実施の形態１〜７では、アウターリングの先端の燃焼室側にテーパー面（８ｂ，１０ｂ，１１０，２０８ｂ，２１０ｂ等）が形成されているが、これらの燃焼室側のテーパー面は存在しなくても、シール性の低下防止効果は存在する。
【００７９】
・前記実施の形態１〜６では、セカンドリングとして用いられている例を挙げたが、各実施の形態の構成を、一番上に存在するトップリングとして適用することもできる。
【００８０】
・前記実施の形態３において、上部突条２０８の先端面２０８ａはシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触してないが、下部突条２１０の先端面２１０ａ側の圧力以上とならなければ、上部突条２０８の先端面２０８ａはシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触させてもよい。
【００８１】
・前記実施の形態５，６のセカンドリング４５０，５５０においては、リング溝内においてクランクケース側にサイドレール４４０，５４０を配置した例を示したが、リング溝内において燃焼室側に配置しても良く、同様な効果を生じる。
【００８２】
・前記実施の形態７において、インナーリング６１２として、樹脂製のリングの代わりに、合口のあるスチールリングを用いても良い。この場合も、アウターリング６０２は樹脂製であり、シリンダ６２０の内周面に対する密着性が高いことから、前記実施の形態７にて述べた効果を生ずる。
【００８３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態には、特許請求の範囲に記載した技術的事項以外に次のような各種の技術的事項の実施形態を有するものであることを付記しておく。
【００８４】
（１）．ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される２本の突条が全周にわたって形成されるとともに、前記空間側の前記突条先端面の幅は、前記空間とは反対側の前記突条先端面の幅よりも大きく形成され、前記空間側の前記突条先端面と前記空間とは反対側の前記突条先端面とには、前記押圧による力がほぼ均等に分配されていることにより、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とするピストンリング。
【００８５】
（２）．ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記押圧により生じる圧力は、リング溝内に配置されてピストンリングをシリンダ内周面へ押圧するエキスパンダーにより与えられるとともに、
該エキスパンダーの押圧中心は、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、前記圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とするピストンリング。
【００８６】
（３）．前記ピストンおよび前記シリンダは、内燃機関のピストンおよびシリンダであり、前記高温気体は燃焼ガスであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか記載のピストンリング。
【００８７】
【発明の効果】
請求項１のピストンリングは、シリンダ内周面への圧力が、シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされている。前記空間側の高圧気体の圧力は、ピストンリングに作用して、ピストンリングの摺動面側を前記空間とは反対側に下げようとするが、ピストンリングの摺動面からシリンダ内周面への圧力が前記空間とは反対側の方に偏っているため、高圧気体により生じる捻りのモーメントと逆方向のモーメントがピストンリングに発生する。このため、高圧気体による捻りのモーメントが弱められて、前記空間とは反対側の摺動面が浮き上がったり圧力が低下する現象が阻止される。したがって、オイル等を前記空間とは反対側へ掻き取る機能が阻害されることなく、シール性の低下を防止することができる。
【００８９】
上記請求項１のピストンリングは、エキスパンダーの押圧中心がピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、圧力の高さばかりでなく、押圧力のトータルとしての力も、前記空間とは反対側の摺動面に多く分配されることとなり、高圧気体による捻れも阻止でき、また、シリンダ内周面との密着性も高くなり、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００９０】
請求項２のピストンリングは、請求項１記載の構成に対して、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されている。このように、２本あるいはそれ以上設けた突条の先端面を摺動面とするピストンリングであっても、請求項１に述べた作用効果を生じる。しかも、この場合の前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くても高圧気体の漏出阻止については十分に果たすことができ、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。
このように、それぞれ役割を十分に果たすことができ、２つ以上の突条の間の空間によりラビリンス効果も生じるので、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００９１】
請求項３のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されるとともに、実機運転状態での前記空間側の前記突条先端面での外径は、前記空間とは反対側の前記突条先端面での外径よりも小さくなるように形成されていることにより、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされている。このような突条先端面での外径の違いにより、前記空間とは反対側の突条の摺動面の圧力が高くされることによって、請求項１に準じた作用効果を生じさせることができる。しかも、前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くてもあるいはシリンダ内周面に接触していなくても高圧気体の漏出阻止の役割を果たすことができるとともに、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。したがって、各突条先端面はそれぞれの役割を十分に果たすことができ、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００９２】
請求項４のピストンリングは、請求項３記載の構成に対して、前記空間とは反対側の前記突条先端面の幅は、前記空間側の前記突条先端面の幅よりも大きく形成されている。このようにシリンダの内周面に十分に押圧されている方の突条先端面の幅が大きく形成されていることにより、請求項３の作用効果に加えて、ピストンリングの姿勢が安定し、より一層良好なシール性を確保することができる。
請求項５のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされ、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される３本の突条が全周にわたって形成されている。このように、３本設けた突条の先端面を摺動面とするピストンリングであっても、請求項１に述べた作用効果を生じる。しかも、この場合の前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くても高圧気体の漏出阻止については十分に果たすことができ、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。しかも、中央の突条はこの中間的な機能により、高圧気体の漏出阻止およびオイルの掻き落とし作用を補助する。したがって、それぞれ役割を十分に果たすことができ、突条間の２つの空間によりラビリンス効果も存在するので、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００９３】
請求項６のピストンリングは合口が形成されていない。このように合口が存在しないタイプの樹脂製ピストンリングは、前述したごとく、特に、高圧がかかりやすいので捻られやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００９４】
請求項７のピストンリングは、複数のリング状部材からなるピストンリング構造体の内の外側のリング状部材として形成されている。上述したピストンリングは、単独で用いられるものばかりでなく、他のリング状部材と共に、ピストンリング構造体として用いられるものでもよく、前述したごとく、シール性の低下を防止することができる。しかも、このようにピストンリング構造体の一部に用いられる場合は、径方向の幅が小さく、高圧気体からの圧力により捻りを生じやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００９６】
請求項８のピストンリングは、請求項１〜７のいずれかの構成に加えて、リング溝内には前記樹脂製のピストンリングに対して前記空間とは反対側に隣接して配置され、シリンダ内周面と摺動するサイドレールを備えている。このように前記空間とは反対側に隣接してサイドレールを備えたことにより、本ピストンリングによるオイルの掻き落とし作用を大きくすることができる。
【００９７】
請求項９のピストンリングは、請求項８記載の構成に対して、オイルリングとコンプレッションリングとを兼ねている。このことにより、オイルリングを省略することが可能となる。このためオイルリング用のリング溝も不要となり、ピストンの強度が向上するのでピストンを薄肉化できる。このようにして、内燃機関の軽量化と生産性の向上が可能となる。
【００９８】
請求項１０のピストンリングは、請求項１〜９のいずれかの構成に対して、トップリングとして形成されている。このようにコンプレッションリングの内でもトップリングとして形成されていることにより、このピストンリングが内燃機関に適用されると、ピストンリングよりも前記空間側の間隙部に溜まる未燃焼ガスや不完全燃焼ガスの量が減少し、あるいはこれらのガスの異常燃焼が少なくなりノッキング等を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１としてのアウターリングの断面図。
【図２】実施の形態１のアウターリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図３】実施の形態２のアウターリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図４】実施の形態２のアウターリングにおける押圧力の関係説明図。
【図５】実施の形態３のアウターリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図６】実施の形態４のアウターリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図７】実施の形態４におけるピストンリングの配置状態を示す断面図。
【図８】実施の形態４におけるオイルリングの構成を示す斜視図。
【図９】実施の形態４におけるオイルリングに用いられるサイドレールの構成を示す斜視図。
【図１０】実施の形態５のピストンリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図１１】実施の形態６におけるピストンリングの配置状態を示す断面図。
【図１２】実施の形態７におけるピストンリングの配置状態を示す断面図。
【図１３】従来のピストンリングの状態を示す断面図。
【符号の説明】
２…アウターリング、４…内周面、６…外面、８…上部突条、８ａ…先端面、８ｂ，１０ｂ…テーパー面、１０…下部突条、１０ａ…先端面、１２…インナーリング、１２ａ，１２ｂ…斜面、１２ｃ，１２ｄ…インナーリング側面、１４…コイルエキスパンダ、１４ａ…芯材、１６…ピストン、１８…リング溝、１８ａ，１８ｂ…側面、２０…シリンダ、２０ａ…内周面、１０２…アウターリング、１０８…摺動面、１０８ａ…燃焼室側縁部、１１０… テーパー面、１１２…インナーリング、１１３…Ｖ形溝、１１４… コイルエキスパンダ、１２０…シリンダ、１２０ａ…内周面、２０２…アウターリング、２０８…上部突条、２０８ａ…先端面、２１０…下部突条、２１０ａ…先端面、２１１…空間、２１４…コイルエキスパンダ、２２０…シリンダ、２２０ａ…内周面、３０２…アウターリング、３０８，３０９，３１０…突条、３０８ａ，３０９ａ，３１０ａ…先端面、３０８ｂ，３０９ｂ…空間、３１２…インナーリング、３１２ａ…溝、３１３…アンダーカット領域、３１４…コイルエキスパンダ、３１６…ピストン、３２０…シリンダ、３２０ａ…内周面、３５０…セカンドリング、３５２…トップリング、３５４…オイルリング、３５６，３５８…サイドレール、３５６ａ，３５８ａ…合口、３６０…エキスパンダ、３６０ａ…突出部、４０２…アウターリング、４１２…インナーリング、４１２ａ…係合部、４１４…コイルエキスパンダ、４１８…リング溝、４２０…シリンダ、４４０…サイドレール、４５０…セカンドリング、５１６…ピストン、５２０…シリンダ、５４０…サイドレール、５５０…セカンドリング、５５２…トップリング、６０２…アウターリング、６１２…インナーリング、６１８…リング溝、６２０…シリンダ、６５０…セカンドリング、６５２…トップリング、６７０，６７２…間隙部。
【発明の属する技術分野】
本発明はピストンリングに関し、特に、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、シール性の向上を意図して、合口を有さない樹脂製のピストンリングが使用されている。例えば、特開平９−１５９０２３号公報、特開平８−２２６５４２号公報には、樹脂製ピストンリング、このピストンリングよりも弾力性のある樹脂製の弾性リング、およびコイルエキスパンダを備えたピストンリング構造体が記載されている。
【０００３】
このような樹脂製のピストンリングは、合口を形成しないようにできるばかりでなく、その変形性の高さからシリンダボアの熱変形に対する追従性も高いので、燃焼室の密閉性が金属製ピストンリングに比較して極めて高いものとなり、燃費の向上に効果がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような密閉性の高さから、ピストンリングには燃焼室側からの燃焼圧力が特に高い状態でかかってくる。このため、図１３（Ａ）に示すごとく、ピストンリング７０２の摺動面７０４，７０６をシリンダの内周面７０８に対して適切に当接するように配置したにもかかわらず、実際に、内燃機関が運転されると、燃焼室側から大きな燃焼圧力がかかってくるため、図１３（Ｂ）に示すごとく、ピストンリング７０２の摺動面７０４，７０６側がクランクケース側へ押圧されることにより、ピストンリング７０２（ここでは特にアウターリング）がクランクケース側に捻れるように揺動して、クランクケース側の摺動面７０６がシリンダ内周面７０８から浮き上がったり、シリンダ内周面７０８に対する圧力が低下したりするといった現象が発生する。
【０００５】
このようにピストンリング７０２のクランクケース側が浮き上がったり圧力が低下すると、クランクケース側の摺動面７０６が主に行っているシリンダ内周面７０８に付着しているオイルをクランクケース側に掻き下げるという作用が低下する。更に、逆に燃焼室側の摺動面７０４に燃焼室側へオイルを掻き上げるという作用が発生して、燃焼室内にオイルが侵入してしまい、オイルシール性が低下するという問題が生じる。
【０００６】
なお、合口が存在する樹脂製ピストンリングであっても、前述したごとく、シリンダボアに対する追従性が高いので、金属製ピストンリングよりも燃焼ガスに対するシール性が高い。このことから、合口が存在する場合も樹脂製ピストンリングの場合は同様に上述した捻れが生じやすく、オイルシール性に問題を生じるおそれがある。
【０００７】
金属製ピストンリングの場合は、ピストンリング自体が剛体であるので、上述した樹脂製ピストンリングの場合のような捻れの問題自体が起きないし、また、燃焼圧力が影響しないオイルリングとして用いられていたりするので、金属製のピストンリングにおいて種々の形態（特開平７−２３９０３１号、特開平８−４２６９３号）が存在するが、上述した樹脂製ピストンリングの問題点の対策の参考にはならない。
【０００８】
本発明は、このような樹脂製ピストンリングに対する燃焼圧力等の圧力の作用によるシール性の低下を防止することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記押圧により生じる圧力は、リング溝内に配置されてピストンリングをシリンダ内周面へ押圧するエキスパンダーにより与えられるとともに、該エキスパンダーの押圧中心は、ピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、前記圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とする。
【００１０】
本ピストンリングでは、シリンダ内周面への圧力が、シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされている。前記空間側の高圧気体の圧力は、ピストンリングに作用して、ピストンリングの摺動面側を前記空間とは反対側に下げようとするが、ピストンリングの摺動面からシリンダ内周面への圧力が前記空間とは反対側の方に偏っているため、高圧気体により生じる捻りのモーメントと逆方向のモーメントがピストンリングに発生する。このため、高圧気体による捻りのモーメントが弱められて、前記空間とは反対側の摺動面が浮き上がったり圧力が低下する現象が阻止される。したがって、オイル等を前記空間とは反対側へ掻き取る機能が阻害されることなく、シール性の低下を防止することができる。
【００１５】
さらに、前記圧力は、リング溝内に配置されてピストンリングをシリンダ内周面へ押圧するエキスパンダーにより与えられるとともに、該エキスパンダーの押圧中心は、ピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、前記圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされている。
【００１６】
このように、エキスパンダーの押圧中心は、ピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、圧力の高さばかりでなく、押圧力のトータルとしての力も、前記空間とは反対側の摺動面に多く分配されることとなり、高圧気体による捻れも阻止でき、また、シリンダ内周面との密着性も高くなり、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００１７】
請求項２のピストンリングは、請求項１記載の構成に対して、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されたことを特徴とする。
【００１８】
このように、２本あるいはそれ以上設けた突条の先端面を摺動面とするピストンリングであっても、請求項１に述べた作用効果を生じる。しかも、この場合の前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くても高圧気体の漏出阻止については十分に果たすことができ、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。このように、それぞれ役割を十分に果たすことができ、２つ以上の突条の間の空間によりラビリンス効果も生じるので、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００１９】
請求項３のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されるとともに、実機運転状態での前記空間側の前記突条先端面での外径は、前記空間とは反対側の前記突条先端面での外径よりも小さくなるように形成されていることにより、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とする。
【００２０】
このような突条先端面での外径の違いにより、前記空間とは反対側の突条の摺動面の圧力が高くされることによって、請求項１に準じた作用効果を生じさせることができる。しかも、前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くてもあるいはシリンダ内周面に接触していなくても高圧気体の漏出阻止の役割を果たすことができるとともに、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。したがって、各突条先端面はそれぞれの役割を十分に果たすことができ、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００２１】
請求項４のピストンリングは、請求項３記載の構成に対して、前記空間とは反対側の前記突条先端面の幅は、前記空間側の前記突条先端面の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする。
【００２２】
このようにシリンダの内周面に十分に押圧されている方の突条先端面の幅が大きく形成されていることにより、請求項３の作用効果に加えて、ピストンリングの姿勢が安定し、より一層良好なシール性を確保することができる。
請求項５のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされ、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される３本の突条が全周にわたって形成されたことを特徴とする。
このように、３本設けた突条の先端面を摺動面とするピストンリングであっても、請求項１に述べた作用効果を生じる。しかも、この場合の前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くても高圧気体の漏出阻止については十分に果たすことができ、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。しかも、中央の突条はこの中間的な機能により、高圧気体の漏出阻止およびオイルの掻き落とし作用を補助する。したがって、それぞれ役割を十分に果たすことができ、突条間の２つの空間によりラビリンス効果も存在するので、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００２３】
請求項６のピストンリングは、請求項１〜５のいずれか記載の構成に対して、合口が形成されていないことを特徴とする。
このように合口が存在しないタイプの樹脂製ピストンリングは、前述したごとく、特に、高圧がかかりやすいので捻られやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００２４】
請求項７のピストンリングは、請求項１〜６のいずれか記載の構成に対して、複数のリング状部材からなるピストンリング構造体の内の外側のリング状部材として形成されていることを特徴とする。
【００２５】
上述したピストンリングは、単独で用いられるものばかりでなく、他のリング状部材と共に、ピストンリング構造体として用いられるものでもよく、前述したごとく、シール性の低下を防止することができる。しかも、このようにピストンリング構造体の一部に用いられる場合は、径方向の幅が小さく、高圧気体からの圧力により捻りを生じやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００２８】
請求項８のピストンリングは、請求項１〜７のいずれかの構成に加えて、リング溝内には前記樹脂製のピストンリングに対して前記空間とは反対側に隣接して配置され、シリンダ内周面と摺動するサイドレールを備えたことを特徴とする。
【００２９】
このように前記空間とは反対側に隣接してサイドレールを備えたことにより、本ピストンリングによるオイルの掻き落とし作用を大きくすることができる。
請求項９のピストンリングは、請求項８記載の構成に対して、オイルリングとコンプレッションリングとを兼ねていることを特徴とする。
【００３０】
このことにより、オイルリングを省略することが可能となる。このためオイルリング用のリング溝も不要となり、ピストンの強度が向上するのでピストンを薄肉化できる。このようにして、内燃機関の軽量化と生産性の向上が可能となる。
【００３１】
請求項１０のピストンリングは、請求項１〜９のいずれかの構成に対して、トップリングとして形成されていることを特徴とする。
このようにコンプレッションリングの内でもトップリングとして形成されていることにより、このピストンリングが内燃機関に適用されると、ピストンリングよりも前記空間側の間隙部に溜まる未燃焼ガスや不完全燃焼ガスの量が減少し、あるいはこれらのガスの異常燃焼が少なくなりノッキング等を減少することができる。
【００３２】
なお、請求項１〜１０のいずれかの構成において、前記ピストンおよび前記シリンダを内燃機関のピストンおよびシリンダとし、前記高圧気体を燃焼ガスとして、内燃機関に適用することができる。内燃機関においては、高圧の燃焼ガスによるピストンリングの捻れに対する対策が必要となるので、内燃機関に用いてオイルシール性の低下防止に顕著な作用効果を生じる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１は、本発明のピストンリングの一実施の形態としてのアウターリング２の断面図を示している。
【００３４】
ここで、アウターリング２は樹脂製であり、合口のないシームレスなリングとして形成されている。樹脂としては例えば、ポリイミド等の比較的硬くて耐摩耗性のある樹脂が選択される。
【００３５】
アウターリング２の内周面４は短円筒面として全体が平滑に形成されているが、外面６側には、２本の突条８，１０がアウターリング２の全周にわたって配置されている。各突条８，１０の先端には、短円筒状の外周面を形成する先端面８ａ，１０ａと、燃焼室側の角部の位置にテーパー面８ｂ，１０ｂとが形成されている。
【００３６】
２つの突条８，１０の内、燃焼室側の上部突条８の先端面８ａは、クランクケース側の下部突条１０の先端面１０ａに比較して、その幅（円筒の高さ）が大きく形成されている。なお、図１では、上部突条８の先端面８ａが、下部突条１０の先端面１０ａの１．２〜３倍の幅に設定されている。すなわち、面積においても上部突条８の先端面８ａは下部突条１０の先端面１０ａの１．２〜３倍に設定されている。
【００３７】
このアウターリング２は、使用時に、図２に示すごとく、インナーリング１２およびコイルエキスパンダ１４と組み合わされてピストンリング構造体として用いられる。なお、このピストンリング構造体は、本実施の形態１では、コンプレッションリングの内でも、ピストン１６の頂部から２番目のリング溝１８内に配置されたセカンドリングとして用いられている。
【００３８】
ここで、ピストン１６のリング溝１８内には、内側にコイルエキスパンダ１４、中間にインナーリング１２、および外側にアウターリング２が配置されている。コイルエキスパンダ１４は断面丸あるいは断面矩形のスチール線材をコイル状に巻いたものであり、この中にはスチールの芯材１４ａが貫通しており、スチール線材は芯材１４ａに沿って円形に曲げられている。
【００３９】
コイルエキスパンダ１４からの押圧力により、シリンダ２０側へ押圧されているインナーリング１２は、コイルエキスパンダ１４側に開く略Ｖ形の溝を有し、その斜面１２ａ，１２ｂにてコイルエキスパンダ１４からの押圧力を受けている。このため、インナーリング１２は、外側にて隣接するアウターリング２をシリンダ２０側に押圧している。
【００４０】
また、インナーリング１２は、比較的弾力性のある樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）にて形成されているため、コイルエキスパンダ１４の圧力により、インナーリング１２自身は、斜面１２ａ，１２ｂを開くようにして、燃焼室側とクランクケース側とへそれぞれ広がる。したがって、クランクケース側のインナーリング側面１２ｃがリング溝１８のクランクケース側の側面１８ａに密着し、燃焼室側のインナーリング側面１２ｄがリング溝１８の燃焼室側の側面１８ｂに密着する。このことにより、リング溝１８の側面１８ａ，１８ｂとインナーリング１２との間は、燃焼ガスに対して完全なシール性を発揮している。
【００４１】
更に、インナーリング１２とアウターリング２とは共に合口が存在しないシームレスなリングであり、アウターリング２はインナーリング１２を介したコイルエキスパンダ１４の押圧力により、シリンダ２０の内周面２０ａの全周に接触している。このため、燃焼室の燃焼ガスは完全に密閉される。
【００４２】
ここで、コイルエキスパンダ１４からの押圧力は、上部突条８の先端面８ａと下部突条１０の先端面１０ａとのほぼ中間当たりに加わることから、コイルエキスパンダ１４の押圧力は、ほぼ均等に両先端面８ａ，１０ａに与えられる。前述したごとく、下部突条１０の先端面１０ａは、上部突条８の先端面８ａの面積の１／１．２〜１／３の広さに設定されているので、下部突条１０の先端面１０ａがシリンダ２０の内周面２０ａに加える圧力は、上部突条８の先端面８ａ側よりも１．２〜３倍の圧力となっている。
【００４３】
以上説明した本実施の形態１によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．本アウターリング２では、前述したごとく、下部突条１０の先端面１０ａの幅は上部突条８の先端面８ａの幅よりも小さく形成されていることにより、コイルエキスパンダ１４の押圧力により生じるシリンダ２０の内周面２０ａに対する圧力は、下部突条１０の先端面１０ａの方が上部突条８の先端面８ａよりも高くされている。
【００４４】
燃焼室側の高圧の燃焼ガスの圧力は、発明が解決しようとする課題の欄でも述べたごとく、アウターリング２に作用して、アウターリング２の摺動面側、すなわち先端面８ａ，１０ａ側をクランクケース側に下げる方向に捻るように働く。しかし、前述したごとく、燃焼ガスの高圧をほぼ直接、燃焼室側から受ける上部突条８の先端面８ａは、下部突条１０の先端面１０ａよりも幅が大きいことにより安定した姿勢を維持する作用が高く、高圧によるアウターリング２の捻れを防止することができる。したがって、下部突条１０の先端面１０ａがシリンダ２０の内周面２０ａから浮き上がったり圧力が低下するのを阻止できる。
【００４５】
更に、下部突条１０の先端面１０ａの圧力は上部突条８の先端面８ａ側よりも高いので、シリンダ２０の内周面２０ａとの密着性が高くなり、エンジンオイルがクランクケース側から燃焼室側へ侵入するのを阻止する効果が高くなる。
【００４６】
これらのことからシール性の低下を十分に防止することができる。
（ロ）．アウターリング２およびインナーリング１２は共に合口を有していないので、特に、燃焼ガスの高圧がかかりやすいが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００４７】
（ハ）．また、アウターリング２は、複数のリング状部材からなるピストンリング構造体の内の外側のリング状部材として形成されているため、単独のリング状部材がピストンリングとして用いられている場合よりも径方向の幅が小さく、燃焼ガスの圧力により捻りを生じやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００４８】
［実施の形態２］
前記実施の形態１では先端面の幅が異なる２本の突条を設けたアウターリングの例を挙げたが、本実施の形態２における樹脂製のアウターリング１０２では、図３に示すごとく突条は存在せず、シリンダ１２０の内周面１２０ａに当接される摺動面１０８が１つのみ形成されている。そして、摺動面１０８の燃焼室側縁部１０８ａに連続して、燃焼室側には、テーパー面１１０が形成されている。
【００４９】
ここで、インナーリング１１２のＶ形溝１１３は、インナーリング１１２の中央部ではなくクランクケース側に偏って形成されている。このため、コイルエキスパンダ１１４も、クランクケース側に偏って配置され、その押圧力Ｅは、図４に示すごとく、アウターリング１０２の中心Ｐよりもクランクケース側に押圧力中心がある。このため、アウターリング１０２に対して燃焼室側の燃焼ガスの圧力によりアウターリング１０２に与えられるモーメントＤＭとは反対方向のモーメントＵＭを、コイルエキスパンダ１１４からインナーリング１１２に与えることができる。
【００５０】
以上説明した本実施の形態２によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．アウターリング１０２に押圧力を与えるエキスパンダー１１４は、その押圧力の中心位置がアウターリング１０２の中心Ｐよりもクランクケース側へ偏っている。このことにより、アウターリング１０２がシリンダ１２０の内周面１２０ａに与える圧力は、図４に示すごとく、摺動面１０８の内で燃焼室側の領域ＵＡよりもクランクケース側の領域ＤＡの方が高くされている。
【００５１】
このように、コイルエキスパンダ１１４の押圧中心がクランクケース側に偏っていることにより、圧力の高さばかりでなく、押圧力のトータルとしての力も、クランクケース側に多く分配されることとなる。このため、コイルエキスパンダ１１４の押圧力は、燃焼ガスによる捻れのモーメントＤＭを打ち消す反対方向のモーメントＵＭを発生することになり、燃焼ガスによる捻れが阻止できる。更に、摺動面１０８におけるクランクケース側の領域ＤＡにおけるシリンダ１２０の内周面１２０ａとの密着性も高くなり、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００５２】
（ロ）．また、コイルエキスパンダ１１４の押圧中心がクランクケース側に偏っていることにより、シリンダ１２０の内周面１２０ａに対してアウターリング１０２を主に支持している部分は摺動面１０８の内でクランクケース側の領域ＤＡとなる。すなわち、燃焼室からの燃焼ガスの影響（温度や圧力）の少ない位置で支持しているため、アウターリング１０２の姿勢が安定し、シール性を一層確実なものとできる。
【００５３】
（ハ）．前記実施の形態１の（ロ）および（ハ）と同様な作用効果を生じる。
［実施の形態３］
本実施の形態３が、前記実施の形態１と異なる点は、図５に示すごとく、アウターリング２０２における下部突条２１０の先端面２１０ａの幅が上部突条２０８の先端面２０８ａより大きい点である。更に、前記実施の形態１と異なる点は、上部突条２０８の先端面２０８ａでの外径が下部突条２１０の先端面２１０ａでの外径よりも小さくされて、実際に内燃機関の運転時においても、下部突条２１０の先端面２１０ａは、コイルエキスパンダ２１４の押圧力によりシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触しているが、上部突条２０８の先端面２０８ａはシリンダ２２０の内周面２２０ａには接触していない点である。
【００５４】
以上説明した本実施の形態３によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．本アウターリング２０２は、内燃機関の運転状態での上部突条２０８の先端面２０８ａの径は、下部突条２１０の先端面２１０ａの径よりも小さいので、下部突条２１０の先端面２１０ａのみがシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触する。したがって、コイルエキスパンダ２１４の押圧力はすべて下部突条２１０の先端面２１０ａが受けることになる。この結果、上部突条２０８の先端面２０８ａの圧力（＝０）よりも下部突条２１０の先端面２１０ａの圧力の方が当然に高くなる。
【００５５】
このため、実施の形態１の場合と同じ作用効果を生じる。
（ロ）．上部突条２０８の先端面２０８ａは、シリンダ２２０の内周面２２０ａには接触していないが、その間隙は非常に狭く、更に、その背後に膨張できる空間２１１が下部突条２１０との間に存在するため、ラビリンス効果が生じて、燃焼ガスの漏出を阻止する役割を果たすことができる。
【００５６】
（ハ）．十分な圧力でシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触してアウターリング２０２を支持している下部突条２１０の先端面２１０ａの幅は、上部突条２０８の先端面２０８ａよりも大きく形成されている。このことから、アウターリング２０２の姿勢が更に安定し、より一層良好なシール性を維持することができる。
【００５７】
（ニ）．前記実施の形態１の（ロ）および（ハ）、前記実施の形態２の（ロ）の作用効果を有する。
［実施の形態４］
本実施の形態４の構成を図６の断面図に示す。本実施の形態４では、前記実施の形態１と異なり、アウターリング３０２は３つの突条３０８，３０９，３１０を備えている。この３つの突条３０８〜３１０は各先端面３０８ａ，３０９ａ，３１０ａでシリンダ３２０の内周面３２０ａに摺動状態で接触している。前記先端面３０８ａ〜３１０ａによるシリンダ３２０の内周面３２０ａへの圧力は、コイルエキスパンダ３１４によりインナーリング３１２を介して与えられている。
【００５８】
ここで、インナーリング３１２において、コイルエキスパンダ３１４側には、コイルエキスパンダ３１４よりも内径の大きな半円形の溝３１２ａが形成されている。このためコイルエキスパンダ３１４は溝３１２ａの中心部（この場合は、インナーリング３１２の中心部でもある）にて、インナーリング３１２をアウターリング３０２側に押圧している。
【００５９】
インナーリング３１２とアウターリング３０２とは、ピストン３１６の軸方向において同じ幅に形成されているので、コイルエキスパンダ３１４はアウターリング３０２の全幅の中心を押圧中心Ｆとしている。しかし、アウターリング３０２の外周面の内で、クランクケース側には、突条が形成されていないアンダーカット領域３１３が形成されている。このアンダーカット領域３１３の存在により、突条３０８〜３１０の先端面３０８ａ〜３１０ａの分布は、燃焼室側に偏ったものとなっている。
【００６０】
したがって、前記押圧中心Ｆは、突条３０８〜３１０の先端面３０８ａ〜３１０ａがシリンダ３２０の内周面３２０ａから受ける反力中心Ｇに対してクランクケース側に距離ｄ分ずれている。
【００６１】
なお、図７に示すごとく、本実施の形態４のピストンリングは、コンプレッションリングの内でもセカンドリング３５０として用いられている。したがって、ピストン３１６の外周面上には燃焼室側にトップリング３５２が設けられ、クランクケース側にオイルリング３５４が設けられている。
【００６２】
ここでトップリング３５２は合口を有する金属製のリング状に形成されている。また、オイルリング３５４は図８の斜視図に示すごとく、一対のサイドレール３５６，３５８と１つのエキスパンダ３６０とから構成されている。各サイドレール３５６，３５８は図９の斜視図に示すごとく、一部に合口３５６ａ，３５８ａを形成した金属製のリング状に形成されている。この２つの合口３５６ａ，３５８ａは、オイルリング３５４として組み合わされて、ピストン３１６のリング溝に配置される際には、エキスパンダ３６０を間にして、１８０°の位相差（図９の配置状態）で配置されている。また、エキスパンダ３６０は、その内周側に存在する環状に配列された突出部３６０ａにより、これら一対のサイドレール３５６，３５８をシリンダ３２０側に付勢している。このことにより、サイドレール３５６，３５８の外周側がシリンダ３２０の内周面に摺動状態で接触して、クランク室側のオイルが燃焼室側に侵入するのを阻止している。
【００６３】
以上説明した本実施の形態４によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．前記実施の形態２とは異なり、押圧中心Ｆはセカンドリング３５０の中心である。更に、突条３０８〜３１０の先端面３０８ａ〜３１０ａがシリンダ３２０の内周面３２０ａから受ける反力中心Ｇは燃焼室側に偏っている。すなわち、押圧中心Ｆは反力中心Ｇに対してクランクケース側にずれている。
【００６４】
このため、コイルエキスパンダ３１４の押圧力は、燃焼ガスによる捻れのモーメントを更に強く打ち消す反対方向のモーメントを発生する。したがって、燃焼ガスによる捻れが一層強力に阻止できる。
【００６５】
更に、このモーメントによりクランクケース側の突条３１０に特に強い圧力が作用するので、シリンダ３２０の内周面３２０ａに付着しているオイルをクランクケース側に掻き下げるという作用が向上し、オイルシール性をより一層良好なものとすることができる。
【００６６】
（ロ）．また、燃焼室側と中央との２つの突条３０８，３０９によりクランクケース側の突条３１０の前に２つの空間３０８ｂ，３０９ｂが形成されるので、ラビリンスとしての作用が高まり、燃焼ガスの漏出を阻止する役割を一層強めることができる。しかも中央の突条３０９は、高圧気体の漏出阻止ばかりでなくオイルの掻き落とし作用も補助する。したがって、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００６７】
（ハ）．前記実施の形態１の（ロ）および（ハ）と同様な作用効果を生じる。
［実施の形態５］
本実施の形態５の構成を図１０に示す。本実施の形態５では、前記実施の形態４と異なり、セカンドリング４５０においては、リング溝４１８内にはアウターリング４０２およびインナーリング４１２に隣接して、クランクケース側に金属製のサイドレール４４０が配置されている。このサイドレール４４０は、前記実施の形態４の図９にて示したオイルリング３５４に用いられているサイドレール３５６，３５８とサイズは異なるが同形状のものが用いられている。他の構成は前記実施の形態４と同じである。
【００６８】
サイドレール４４０はサイドレール４４０の内側に配置されているインナーリング４１２の係合部４１２ａを介して、コイルエキスパンダ４１４からシリンダ４２０の内周面に対する圧力を与えられている。更にサイドレール４４０自身の弾性力によっても、シリンダ４２０の内周面に対する圧力を生じている。
【００６９】
以上説明した本実施の形態５によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．前記実施の形態４の（イ）〜（ハ）の作用効果を生じる。
（ロ）．セカンドリング４５０は、クランクケース側にサイドレール４４０を備えている。このため、オイルが燃焼室側に侵入するのを、一層強力に阻止できる。したがって、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００７０】
［実施の形態６］
本実施の形態６は、図１１に示すごとく、前記実施の形態５のセカンドリング４５０と同じ構成のセカンドリング５５０を用いたシール構造において、オイルリングおよびそのリング溝を省略した構成である。すなわち、トップリング５５２とセカンドリング５５０との２つのピストンリングにて、ピストン５１６とシリンダ５２０との間をシールした構成である。セカンドリング５５０が図１０に示した構成と同じであることにより、コンプレッションリングとオイルリングとの機能を兼ね備えている。
【００７１】
以上説明した本実施の形態６によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．前記実施の形態４の（イ）〜（ハ）の作用効果を生じる。
（ロ）．オイルリングを省略しても、クランクケース側にサイドレール５４０を有するセカンドリング５５０がオイルリングを兼ねることができるので、オイルが燃焼室側に侵入するのを阻止でき、オイルシール性を維持することができる。このため、オイルリングを省略できる。したがって、オイルリング用のリング溝も不要となり、ピストン５１６の強度が向上するのでピストン５１６を薄肉化できる。このようにして、内燃機関の軽量化と生産性の向上が可能となる。
【００７２】
［実施の形態７］
本実施の形態７は、図１２に示すごとく、トップリング６５２として前記実施の形態４のセカンドリング３５０と同じ構成のコンプレッションリングを用いている。また、セカンドリング６５０として前記実施の形態４のトップリング３５２と同じ構成のコンプレッションリングを用いている。すなわち、前記実施の形態４とはトップリングとセカンドリングとが入れ替わった構成をなしている。
【００７３】
以上説明した本実施の形態７によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．前記実施の形態４の（イ）〜（ハ）の作用効果を生じる。
（ロ）．トップリング６５２を構成するアウターリング６０２は樹脂製であり、シリンダ６２０の内周面に対する密着性が高い。またトップリング６５２を構成するインナーリング６１２も樹脂製でありリング溝６１８に対する密着性が高い。このため、内燃機関の運転時に燃焼室の未燃混合気や不完全燃焼ガスが溜まり易いのは、トップリング６５２より上の間隙部６７０までである。トップリング６５２よりクランクケース側の間隙部６７２にはほとんど未燃混合気や不完全燃焼ガスは到達しない。すなわちクレビスボリュームが少なくなる。
【００７４】
したがって、排気行程にて、間隙部６７０からの未燃混合気や不完全燃焼ガスの吹き出しは、トップリングが前記実施の形態４に示した単一の金属リングである場合には比較して少なくなる。このため未燃混合気や不完全燃焼ガスによる吸入空気量の低下やエミッションの悪化を抑制することができる。
【００７５】
また、爆発行程時に燃焼室に存在する混合気の膨張と燃焼波により、間隙部６７０にある未燃混合気や不完全燃焼ガスが断熱圧縮されても、未燃混合気や不完全燃焼ガスの量が少ないので、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができ、内燃機関の耐久性を高めることができる。
【００７６】
［その他の実施の形態］
・前記実施の形態１〜７において、合口の無いアウターリングやインナーリングの例を示したが、合口のあるものを用いても同様にシール性の低下を防止することができる。
【００７７】
・前記実施の形態１〜７においては、ピストンリング構造体に用いられるアウターリングとして本発明が具現化されていたが、前記実施の形態１〜７のアウターリングと同形状のものを、インナーリング無しでコイルエキスパンダと組み合わせて用いる形態でもよく、また、インナーリングもコイルエキスパンダも無くしてアウターリングと同形状のものを単独で用いる形態でもよい。このような構造でもシール性の低下を防止することができる。
【００７８】
・前記実施の形態１〜７では、アウターリングの先端の燃焼室側にテーパー面（８ｂ，１０ｂ，１１０，２０８ｂ，２１０ｂ等）が形成されているが、これらの燃焼室側のテーパー面は存在しなくても、シール性の低下防止効果は存在する。
【００７９】
・前記実施の形態１〜６では、セカンドリングとして用いられている例を挙げたが、各実施の形態の構成を、一番上に存在するトップリングとして適用することもできる。
【００８０】
・前記実施の形態３において、上部突条２０８の先端面２０８ａはシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触してないが、下部突条２１０の先端面２１０ａ側の圧力以上とならなければ、上部突条２０８の先端面２０８ａはシリンダ２２０の内周面２２０ａに接触させてもよい。
【００８１】
・前記実施の形態５，６のセカンドリング４５０，５５０においては、リング溝内においてクランクケース側にサイドレール４４０，５４０を配置した例を示したが、リング溝内において燃焼室側に配置しても良く、同様な効果を生じる。
【００８２】
・前記実施の形態７において、インナーリング６１２として、樹脂製のリングの代わりに、合口のあるスチールリングを用いても良い。この場合も、アウターリング６０２は樹脂製であり、シリンダ６２０の内周面に対する密着性が高いことから、前記実施の形態７にて述べた効果を生ずる。
【００８３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態には、特許請求の範囲に記載した技術的事項以外に次のような各種の技術的事項の実施形態を有するものであることを付記しておく。
【００８４】
（１）．ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される２本の突条が全周にわたって形成されるとともに、前記空間側の前記突条先端面の幅は、前記空間とは反対側の前記突条先端面の幅よりも大きく形成され、前記空間側の前記突条先端面と前記空間とは反対側の前記突条先端面とには、前記押圧による力がほぼ均等に分配されていることにより、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とするピストンリング。
【００８５】
（２）．ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記押圧により生じる圧力は、リング溝内に配置されてピストンリングをシリンダ内周面へ押圧するエキスパンダーにより与えられるとともに、
該エキスパンダーの押圧中心は、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、前記圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とするピストンリング。
【００８６】
（３）．前記ピストンおよび前記シリンダは、内燃機関のピストンおよびシリンダであり、前記高温気体は燃焼ガスであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか記載のピストンリング。
【００８７】
【発明の効果】
請求項１のピストンリングは、シリンダ内周面への圧力が、シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされている。前記空間側の高圧気体の圧力は、ピストンリングに作用して、ピストンリングの摺動面側を前記空間とは反対側に下げようとするが、ピストンリングの摺動面からシリンダ内周面への圧力が前記空間とは反対側の方に偏っているため、高圧気体により生じる捻りのモーメントと逆方向のモーメントがピストンリングに発生する。このため、高圧気体による捻りのモーメントが弱められて、前記空間とは反対側の摺動面が浮き上がったり圧力が低下する現象が阻止される。したがって、オイル等を前記空間とは反対側へ掻き取る機能が阻害されることなく、シール性の低下を防止することができる。
【００８９】
上記請求項１のピストンリングは、エキスパンダーの押圧中心がピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、圧力の高さばかりでなく、押圧力のトータルとしての力も、前記空間とは反対側の摺動面に多く分配されることとなり、高圧気体による捻れも阻止でき、また、シリンダ内周面との密着性も高くなり、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００９０】
請求項２のピストンリングは、請求項１記載の構成に対して、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されている。このように、２本あるいはそれ以上設けた突条の先端面を摺動面とするピストンリングであっても、請求項１に述べた作用効果を生じる。しかも、この場合の前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くても高圧気体の漏出阻止については十分に果たすことができ、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。
このように、それぞれ役割を十分に果たすことができ、２つ以上の突条の間の空間によりラビリンス効果も生じるので、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００９１】
請求項３のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されるとともに、実機運転状態での前記空間側の前記突条先端面での外径は、前記空間とは反対側の前記突条先端面での外径よりも小さくなるように形成されていることにより、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされている。このような突条先端面での外径の違いにより、前記空間とは反対側の突条の摺動面の圧力が高くされることによって、請求項１に準じた作用効果を生じさせることができる。しかも、前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くてもあるいはシリンダ内周面に接触していなくても高圧気体の漏出阻止の役割を果たすことができるとともに、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。したがって、各突条先端面はそれぞれの役割を十分に果たすことができ、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００９２】
請求項４のピストンリングは、請求項３記載の構成に対して、前記空間とは反対側の前記突条先端面の幅は、前記空間側の前記突条先端面の幅よりも大きく形成されている。このようにシリンダの内周面に十分に押圧されている方の突条先端面の幅が大きく形成されていることにより、請求項３の作用効果に加えて、ピストンリングの姿勢が安定し、より一層良好なシール性を確保することができる。
請求項５のピストンリングは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされ、前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される３本の突条が全周にわたって形成されている。このように、３本設けた突条の先端面を摺動面とするピストンリングであっても、請求項１に述べた作用効果を生じる。しかも、この場合の前記空間側の突条の先端面は、圧力が低くても高圧気体の漏出阻止については十分に果たすことができ、反対側の突条の先端面は圧力が高いことで、オイルの掻き落としの作用を十分に発揮できる。しかも、中央の突条はこの中間的な機能により、高圧気体の漏出阻止およびオイルの掻き落とし作用を補助する。したがって、それぞれ役割を十分に果たすことができ、突条間の２つの空間によりラビリンス効果も存在するので、シール性をより一層良好なものとすることができる。
【００９３】
請求項６のピストンリングは合口が形成されていない。このように合口が存在しないタイプの樹脂製ピストンリングは、前述したごとく、特に、高圧がかかりやすいので捻られやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００９４】
請求項７のピストンリングは、複数のリング状部材からなるピストンリング構造体の内の外側のリング状部材として形成されている。上述したピストンリングは、単独で用いられるものばかりでなく、他のリング状部材と共に、ピストンリング構造体として用いられるものでもよく、前述したごとく、シール性の低下を防止することができる。しかも、このようにピストンリング構造体の一部に用いられる場合は、径方向の幅が小さく、高圧気体からの圧力により捻りを生じやすくなるが、このようなものもシール性の低下防止が可能となり、作用効果が顕著である。
【００９６】
請求項８のピストンリングは、請求項１〜７のいずれかの構成に加えて、リング溝内には前記樹脂製のピストンリングに対して前記空間とは反対側に隣接して配置され、シリンダ内周面と摺動するサイドレールを備えている。このように前記空間とは反対側に隣接してサイドレールを備えたことにより、本ピストンリングによるオイルの掻き落とし作用を大きくすることができる。
【００９７】
請求項９のピストンリングは、請求項８記載の構成に対して、オイルリングとコンプレッションリングとを兼ねている。このことにより、オイルリングを省略することが可能となる。このためオイルリング用のリング溝も不要となり、ピストンの強度が向上するのでピストンを薄肉化できる。このようにして、内燃機関の軽量化と生産性の向上が可能となる。
【００９８】
請求項１０のピストンリングは、請求項１〜９のいずれかの構成に対して、トップリングとして形成されている。このようにコンプレッションリングの内でもトップリングとして形成されていることにより、このピストンリングが内燃機関に適用されると、ピストンリングよりも前記空間側の間隙部に溜まる未燃焼ガスや不完全燃焼ガスの量が減少し、あるいはこれらのガスの異常燃焼が少なくなりノッキング等を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１としてのアウターリングの断面図。
【図２】実施の形態１のアウターリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図３】実施の形態２のアウターリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図４】実施の形態２のアウターリングにおける押圧力の関係説明図。
【図５】実施の形態３のアウターリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図６】実施の形態４のアウターリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図７】実施の形態４におけるピストンリングの配置状態を示す断面図。
【図８】実施の形態４におけるオイルリングの構成を示す斜視図。
【図９】実施の形態４におけるオイルリングに用いられるサイドレールの構成を示す斜視図。
【図１０】実施の形態５のピストンリングを内燃機関に適用した状態を示す断面図。
【図１１】実施の形態６におけるピストンリングの配置状態を示す断面図。
【図１２】実施の形態７におけるピストンリングの配置状態を示す断面図。
【図１３】従来のピストンリングの状態を示す断面図。
【符号の説明】
２…アウターリング、４…内周面、６…外面、８…上部突条、８ａ…先端面、８ｂ，１０ｂ…テーパー面、１０…下部突条、１０ａ…先端面、１２…インナーリング、１２ａ，１２ｂ…斜面、１２ｃ，１２ｄ…インナーリング側面、１４…コイルエキスパンダ、１４ａ…芯材、１６…ピストン、１８…リング溝、１８ａ，１８ｂ…側面、２０…シリンダ、２０ａ…内周面、１０２…アウターリング、１０８…摺動面、１０８ａ…燃焼室側縁部、１１０… テーパー面、１１２…インナーリング、１１３…Ｖ形溝、１１４… コイルエキスパンダ、１２０…シリンダ、１２０ａ…内周面、２０２…アウターリング、２０８…上部突条、２０８ａ…先端面、２１０…下部突条、２１０ａ…先端面、２１１…空間、２１４…コイルエキスパンダ、２２０…シリンダ、２２０ａ…内周面、３０２…アウターリング、３０８，３０９，３１０…突条、３０８ａ，３０９ａ，３１０ａ…先端面、３０８ｂ，３０９ｂ…空間、３１２…インナーリング、３１２ａ…溝、３１３…アンダーカット領域、３１４…コイルエキスパンダ、３１６…ピストン、３２０…シリンダ、３２０ａ…内周面、３５０…セカンドリング、３５２…トップリング、３５４…オイルリング、３５６，３５８…サイドレール、３５６ａ，３５８ａ…合口、３６０…エキスパンダ、３６０ａ…突出部、４０２…アウターリング、４１２…インナーリング、４１２ａ…係合部、４１４…コイルエキスパンダ、４１８…リング溝、４２０…シリンダ、４４０…サイドレール、４５０…セカンドリング、５１６…ピストン、５２０…シリンダ、５４０…サイドレール、５５０…セカンドリング、５５２…トップリング、６０２…アウターリング、６１２…インナーリング、６１８…リング溝、６２０…シリンダ、６５０…セカンドリング、６５２…トップリング、６７０，６７２…間隙部。
Claims (10)
- ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、
前記押圧により生じる圧力は、リング溝内に配置されてピストンリングをシリンダ内周面へ押圧するエキスパンダーにより与えられるとともに、
該エキスパンダーの押圧中心は、ピストンリングの中心よりも前記空間とは反対側へ偏っていることにより、前記圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とするピストンリング。 - 前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されたことを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
- ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、
前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される少なくとも２本の突条が全周にわたって形成されるとともに、実機運転状態での前記空間側の前記突条先端面での外径は、前記空間とは反対側の前記突条先端面での外径よりも小さくなるように形成されていることにより、前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされていることを特徴とするピストンリング。 - 前記空間とは反対側の前記突条先端面の幅は、前記空間側の前記突条先端面の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項３記載のピストンリング。
- ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面へ押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画された空間に存在する高圧気体の漏出を阻止する樹脂製のピストンリングであって、
前記押圧により生じる圧力が、前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間側よりも前記空間とは反対側の方が高くされ、
前記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に摺動面として当接される３本の突条が全周にわたって形成されたことを特徴とするピストンリング。 - 合口が形成されていないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のピストンリング。
- 複数のリング状部材からなるピストンリング構造体の内の外側のリング状部材として形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載のピストンリング。
- 請求項１〜７のいずれかの構成に加えて、
リング溝内には前記樹脂製のピストンリングに対して前記空間とは反対側に隣接して配置され、シリンダ内周面と摺動するサイドレールを備えたことを特徴とするピストンリング。 - オイルリングとコンプレッションリングとを兼ねていることを特徴とする請求項８記載のピストンリング。
- トップリングとして形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか記載のピストンリング。
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